甘 創(chuàng)，蘇忖安

（長(zhǎng)沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114）

引 言

堆石混凝土（Rock-filled concrete，簡(jiǎn)稱RFC）是清華大學(xué)水利系于2003 年發(fā)明、具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的一種基于自密實(shí)混凝土（Self-compacting concrete，簡(jiǎn)稱SCC）的新型大體積混凝土施工技術(shù)[1～2]。

堆石混凝土相比于普通混凝土（常態(tài)混凝土或碾壓混凝土）有以下特點(diǎn)：使用大骨料，強(qiáng)度高、耐久性好，水化熱溫升低，施工速度快、造價(jià)低[3～4]。由于這些優(yōu)點(diǎn)，近些年在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

堆石混凝土技術(shù)施工工藝簡(jiǎn)單，主要有倉(cāng)面處理、模板施工、堆石的選取與入倉(cāng)、自密實(shí)混凝土施工和堆石混凝土養(yǎng)護(hù)共5 道程序，在堆石入倉(cāng)能力和混凝土生產(chǎn)能力有保證的情況下，可連續(xù)循環(huán)施工，大大提升混凝土的施工速度[5]。其工藝流程圖和施工示意圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 堆石混凝土施工工藝流程圖

圖2 堆石混凝土施工技術(shù)示意圖

工程實(shí)踐表明，由于堆石混凝土大壩施工中，通常不分縱縫、不采用水管冷卻措施，僅依靠自然散熱，壩內(nèi)高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)（尤其是重力壩），壩體溫度要降到穩(wěn)定或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，需要較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程。在此期間，壩內(nèi)由于持續(xù)高溫，在低溫季節(jié)或遇寒潮時(shí)，壩體發(fā)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)較大。因此有必要對(duì)堆石混凝土壩溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。本文綜合考慮了外界氣溫、混凝土絕熱溫升、澆筑溫度、澆筑層厚、間歇期等多種因素對(duì)大壩溫度場(chǎng)的影響。

1 計(jì)算理論

1.1 熱傳導(dǎo)方程[6]

混凝土內(nèi)部溫度場(chǎng)計(jì)算的實(shí)質(zhì)是熱傳導(dǎo)方程在特定邊界條件和初始條件下的求解。三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)的熱傳導(dǎo)方程為:

式中 ρ——密度（kg/m3）；

c——比熱（J/kg·℃）；

T——溫度（℃）；

t——時(shí)間（s）；

α——導(dǎo)溫系數(shù)，α=λ/ρc；

Q˙——單位時(shí)間單位體積發(fā)出的熱量（W/m3）。

1.2 初始條件和邊界條件

通過(guò)建立的熱傳導(dǎo)方程，賦予初始條件及邊界條件，可以確定所需溫度場(chǎng)。溫度場(chǎng)一般為坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)初始條件下，溫度場(chǎng)為：

多數(shù)情況，如在大體積混凝土的仿真過(guò)程中，初始溫度T（x，y，z，0）一般設(shè)置為入倉(cāng)溫度，在仿真中，要注意到混凝土與基巖等接觸部分，其溫度是離散的，應(yīng)予以考慮。對(duì)于溫度邊界條件，一般分為如下三類邊界條件：1）在邊界上給定溫度T（τ），稱為第一類邊界條件，它是強(qiáng)制邊界條件：

2）在邊界上給定熱流量q（τ），稱為第二類邊界條件；當(dāng)q=0 時(shí)就是絕熱邊界條件：

3）在邊界上給定對(duì)流熱交換條件，稱為第三類邊界條件：

1.3 生熱率HENG

在ANSYS 中，混凝土的絕熱溫升通過(guò)生熱率HGEN來(lái)實(shí)現(xiàn)[7]。顧名思義，生熱率就是單位時(shí)間內(nèi)混凝土的生熱率，即所產(chǎn)生的熱量對(duì)時(shí)間的倒數(shù)，用表達(dá)式表示為：

式中 HGEN——混凝土生熱率；

dQ——隨時(shí)間變化的熱量增量；

dt——時(shí)間增量。

在進(jìn)行計(jì)算過(guò)程中，θ（t）、c、ρ 可計(jì)算或者通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)出，混凝土的生熱率用式（7）表示：

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算模型

以湖南省花垣縣在建五龍沖堆石混凝土重力壩為例，壩頂高程725.00 m，壩頂7 m，最大壩64 m，左岸擋水壩長(zhǎng)45 m，溢流壩段長(zhǎng)30 m，右岸擋水壩段長(zhǎng)62.2 m，壩頂長(zhǎng)度137.2 m，共分為6 個(gè)壩段，其中3#壩段為溢流壩。擋水壩上游壩面在死水位688.00m 以上為鉛直面，在688.00 m 高程以下坡比為1∶0.1，下游坡比1∶0.75。

本文取右岸非溢流擋水壩段為研究模型模擬施工期全過(guò)程的溫度場(chǎng)變化，下游水位669.00 m，壩頂高程725.00 m。計(jì)算擋水壩段寬30 m。計(jì)算壩段模型利用ANSYS 三維建模，模型上下游、基巖深度均取100 m高，三維計(jì)算壩段模型如圖3 所示。有限元單元在高度方向約為0.5 m，沿壩體厚度約為0.5 m。整體網(wǎng)格共24 400 個(gè)單元，30 930 個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖3 右岸非溢流壩段模型

2.2 相關(guān)參數(shù)

五龍沖水庫(kù)混凝土、基巖的熱力學(xué)參數(shù)參照文獻(xiàn)[8]。各類熱力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 各類混凝土熱力學(xué)參數(shù)

自生體積變形取0。

參考朱伯芳院士著作《大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制》，五龍沖壩址處年平均風(fēng)速為1.2 m/s，相應(yīng)裸露混凝土表面散熱系數(shù)b 可取為38.852 kJ/（m2·h·℃），即932.45 kJ/（m2·d·℃）。

本文絕熱溫升表達(dá)式參照文獻(xiàn)[8]。

2.3 施工規(guī)劃和邊界條件

根據(jù)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)大壩澆筑時(shí)間進(jìn)行規(guī)劃。大壩混凝土澆筑進(jìn)度表見(jiàn)表2。

表2 大壩混凝土分層澆筑進(jìn)度安排

溫度場(chǎng)計(jì)算中，地基4 個(gè)側(cè)面和底面為絕熱面；地基表面為與大氣接觸的第三類散熱面，壩體上下游面及頂面為散熱面；大壩蓄水前，上、下游表面為第三類邊界。其中：外界氣溫隨時(shí)間變化曲線擬合如下：

2.4 計(jì)算工況

為進(jìn)行堆石混凝土重力壩簡(jiǎn)易的溫控措施研究，本文設(shè)計(jì)了4 種工況，工況1 為無(wú)溫控措施，工況2、3、4 為簡(jiǎn)易溫控措施工況。計(jì)算工況見(jiàn)表3。

表3 計(jì)算工況表

1）自然入倉(cāng)：以該倉(cāng)澆筑當(dāng)月平均氣溫為入倉(cāng)澆筑溫度。

2）控制澆筑溫度：按條件1），如當(dāng)月平均氣溫高于25℃，則計(jì)算入倉(cāng)澆筑溫度取為25℃。

3）施工期夏季表面流水措施：夏季5—9 月期間，當(dāng)氣溫超過(guò)25℃的時(shí)段時(shí)，混凝土表面流水，相當(dāng)于壩體混凝土表面按環(huán)境溫度25℃、散熱系數(shù)取很大（相當(dāng)于壩體散熱面取25℃）考慮。

4）降低混凝土絕熱溫升：堆石混凝土最終絕熱溫升由15.7℃降低為13℃。

3 溫度場(chǎng)結(jié)果分析

圖4 和圖5 為工況1 最高溫度云圖和施工結(jié)束溫度云圖，圖6～圖8 為工況2、3、4 最高溫度云圖。最高溫度出現(xiàn)在第27 倉(cāng)。根據(jù)結(jié)果分析得到以下結(jié)論：

圖4 工況1 最高溫度云圖

圖5 工況1 施工結(jié)束溫度云圖

圖6 工況2 最高溫度云圖

圖7 工況3 最高溫度云圖

圖8 工況4 最高溫度云圖

1）施工期混凝土最高溫度一般位于壩體內(nèi)部，最高溫度與澆筑季節(jié)密切相關(guān)，在沒(méi)有任何溫控措施的情況下，高溫夏季澆筑塊的最大溫度可超過(guò)37℃，超過(guò)一般重力壩溫度控制標(biāo)準(zhǔn)的值，對(duì)壩體結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生影響。

2）施工結(jié)束后，壩體內(nèi)部存在1 個(gè)高溫區(qū)，最高溫度為32℃。且高溫區(qū)域存在于高溫季節(jié)時(shí)的澆筑層，說(shuō)明堆石混凝土內(nèi)部的高溫僅靠表面散熱，下降的速度較慢，會(huì)較長(zhǎng)時(shí)間存在壩體內(nèi)部。

3）工況2 施工期最高溫度比工況1 減小約1.5℃，高溫期整體溫度減小約1℃。工況3 施工期最高溫度比工況1 減小約2℃，降溫效果比工況2 顯著一些。工況4施工期最高溫度，整體溫度比工況1 降低約0.8℃?？傮w而言，夏季表面流水的溫控效果相對(duì)更顯著。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié) 論

1）堆石混凝土壩的溫度場(chǎng)由混凝土絕熱溫升、澆筑溫度、外界氣溫和混凝土表面散熱系數(shù)等因素決定。施工期堆石混凝土的最高溫度位于壩體內(nèi)部，最高溫度與澆筑季節(jié)密切相關(guān)；夏季澆筑塊的溫度可超過(guò)37℃，應(yīng)采用相應(yīng)的溫控措施。

2）實(shí)施溫控措施能使壩體的最高溫度降至低于容許最高溫度；夏季采用表面流水的溫控措施比控制澆筑溫度的效果更好，降低絕熱溫升的效果相對(duì)不明顯。

4.2 建 議

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，防止壩體內(nèi)最高溫度高于允許最高溫度標(biāo)準(zhǔn)。建議如下：

1）在新老混凝土結(jié)合面處、壩踵處、壩址處、溢流壩反弧段處等多布置一些應(yīng)力監(jiān)測(cè)儀來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是否滿足要求，控制工程質(zhì)量。

2）采取適當(dāng)溫控措施：高溫季節(jié)（6—8 月）控制澆筑溫度和表面流水以降低最高溫度及高溫期的整體溫度。

3）由于混凝土的最高溫度與澆筑季節(jié)密切相關(guān)，在能夠滿足工期的要求下，盡量避開(kāi)高溫時(shí)段。